（岩土工程专业论文）基于gis和人工神经网络的滑坡危险性评价方法研究.pdf

基于g i s 和人工神经网络的滑坡危险性评价方法研究专业：岩土工程硕士生：赵甜指导教师：周翠英教授摘要滑坡是仅次于地震的重大地质灾害之一，是联合国国际十年减灾计划的重要内容。我国是个滑坡灾害频发的国家，滑坡对人民的生命财产安全和经济建设构成了极大的威胁。随着大规模工程建设的开展，在公路、铁路、水利水电、矿山等各种建设领域越来越多的出现了高陡边坡，边坡稳定性问题也变得日益突出。如何安全、可靠、有效地进行滑坡灾害危险性分析与评价，并进而实现滑坡的预测预报及风险管理不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的现实意义。地理信息系统( 6 i s ) 技术的发展，为滑坡危险性评价提供了一种新的技术手段。6 i s 具有强大的空啡数据查询、空间综合分析和可视化功能，能够实现空间图形、文字、数据的综合分析。基于此，本文尝试将g i s 技术与人工神经网络理论相结合运用到滑坡危险性评价中，对区域滑坡危险性评价进行了初步的探索。其主要内容包括：( 1 ) 全面论述了区域滑坡地质灾害危险性评价的原理和方法，并对影响边坡稳定性的主要因素进行了分析，经过研究，本文选取的滑坡危险性的影响因子为：表面平均坡度、前缘临空坡度、滑面平均倾角、月最大降雨量、近期活动迹象、人类工程活动状况；( 2 ) 建立了基于层次分析法( a 口) 的滑坡危险性评价指标体系，通过对评价指标进行分级和权重的确定，将滑坡危险性划分为3 个等级：稳定、基本稳定和不稳定，使滑坡评价更为合理；( 3 ) 利用地理信息系统的空间分析功能，特别是栅格数据的空间叠加功能、分析功能，对各专题图进行空间叠加分析，得出滑坡危险性图，对其滑坡进行宏观的定性的分析和管理；( 4 ) 在运用g i s 对滑坡进行定性分析的基础上，应用b p 人工神经网络和模糊综合评判法，建立了滑坡危险性评价的数学模型，进一步对滑坡危险性进行了定量的评价：( 5 ) 通过应用实例分析，验证了以上两种模型对滑坡危险性评价结果的合理可靠性。关键词：滑坡危险性评价地理信息系统( g i s ) b p 神经网络模糊综合评判r e s e a r c ho nl t a z a r da 鹤e s $ 1 1 1 1 e n tm e t h o do fl a n d s l i d e sb a s e do rg i st e c h n o l o g ya n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km a j o r ：g e o t e c h n i e a le n g i n e e r i n gn a m e ：z h a o r 蛐s u p e r v 硫p r o f z h o uc u i y i n ga b s t r a e tl a n d s f i d e ，o n eo ft h ei m p o r t a n tc o n t e n t so fi n t e m a t i o n a ld e c a d ef o rh a z a r dr e d u c t i o n , i sas e r i o u sg e o l o g i c a ld i s o i s t c l ro n l yn e x tt oe a r t t x t u a k e ；i to c c u l sm o r ef r e q u e n t l yi nc h i n aw i t hal a r g ea m o u n tf o u n d a t i o ne o n s m | c t i o mi nm a n yf i e l d ss u c ha sh i g h w a y s ，r a i l w a y s , w a t e rc o n s e r v a n c ya n de l e c t r i c a lp o w e r sa sw e l l 鹤m i n i n g a n dh a sag r e a ti n f l u e n c eo nh u m a nl i v e s , p r o p e r t i e sa n dt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y t h e r e f o r e ,t h es t a b i l i t ya n a l y s i so fl a n d s f i d ei st a k e ni n t oa c c o u n t t h em a i np o 缸o ft h er e s e a r c hr e l a t e dt ol a n d s l i d e si sh o wt o 锄a l y z ea n de v a l u a t et h er i s ko fl a n d s l i d ed i s a s t e rr e l i a b l ya n de f f e c t i v e l ya n da p p l i e dt h er e s u l t st or i s km a n a g e m e n ti nt h e o r ya n dp r a c t i c eo fl a n d s l i d e a tt h es a n 3 et i m e , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，an e ww a yf o rl a n d s l i d er i s ke v a l u a t i o ni sp r o v i d e d b e c a u s eo ft h ep o w e r f u lf u n c t i o n si ni n q u i r i n ga b o u ts p a t i a ld a t a , s y n t h e s i z e ds p a t i a la n a l y s i sa n dv i s u a l i z a t i o n o f g i s ，t h i s p a p e r t r y t o g i v e t h er i s ke v a l u a t i o n o f l a n d s f i d e b yc o m b i n g t h eg i st e c h n o l o g yw i t ht h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k t h em a i nc o n t e n t s 撒i n c l u d i n g ：( 1 )b a s e do nt h ed i s c u s s i o no f p r i n c i p l e sa n t im e t h o d so f r e g i o n a ll a n d s l i d eh a z a r da s s e s s m e n t ,t h ei n f l u e n c e df a c t o r so i ls l o p es t a b i l i t ya r cd i s c u s s e d , t h e ym i g h tb es u r f a c ea v e r a g e霉a d i e n t s l o p eo f f r e ef a c eo i lt h ep o s i t i o no f f o r e s l o p e , a v e r a g ei n c l i n e da w , l eo f s f i d i n g飘耐k e m o n t h l ym a x i m u l np r e c i p i t a t i o n , a c t i v ee v i d e n c e si nr e c e n tp e r i o da n dt h eh u m a na c t i v i t yi n t e n s i t y ( 2 ) o nt h eb a s i so f a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c l 嚣$ ( a 闽p ) ，t h ei n d e xs y s t e mo f l a n d s f i d er i s k e v a l u a t i o n i se s t a b l i s h e d ；a n d t h e n t h er i s k g r a d e c a l l b e d i v i d e d i n t o t h r e el e v e l sb yc l a s s i f i c a t i o no f e v a l u a t i n gi n d e xa n dd e t e m a i n a t i o no f w e i g h t sf o re v e r yf a c t o r ,i l lt h e ya r cs t a b l e ，i m s i c a l l ys t a b l ea n du n s t a b l e ( 3 ) b ym a k e 嘴o ft h es p a t i a l 锄1 y t i c a lf u n c t i o no fg i s ，e s p e c h n yt h es p a t i a lo v e r l a pf u n c t i o no fr a s t e rd a t a , t h er i s kz o n a f i o nm a po fl a n d s f i d ei so b t a i n e db yo v e r l a p p i n gs o i l l ek i n d so fs p e c i a lm a p sr e l a t e dt ol a n d s f i d e ；t h e r e f o r eaq u a n t i t a t i v er i s ka n a l y s i sa n dm a n a g e m e n to fh n d s f i d ec a nb ed o n e ( 4 ) b a s e do nt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so fl a n d s l i d eb yg i s ，a l la s s e s s m e n tm o d e lo fl a n d s f i d eh a z a r di se s t a b l i s h e db yb pn e u r a ln e t w o r kt h e o r ya n df u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o dt oe v a l u a t et h er i s ko fl a n d s l i d eq u a n t i t a t i v e l y ( 5 ) b ya p p l y i n gt h e s et w om o d e l st ot h ep r a c t i c a le n g i l l c e r m gf i e l d so f l a n d s l i d e s , i ti sp r o v e dt h a tt h ec o m b i n e dm e t h o do fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kw i t hg i st e c h n o l o g yi sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e n 砖r e s u l t s a l s os h o w t h a t t h i s m e t h o d h a ss o m e v a l u e s i n t h ea s s e s s m e n t o f l a n d s f i d e h a z a r c lk e yw o r d s ：l a n d s l i d e s , h a z a r da s s e s s m e n t , g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) b pn e u r a ln e t w o r k , f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n中山大学硕士学位论文1 1 研究意义第1 章绪论人类生存的地球，山区高地面积占陆地总面积的四分之一，居住人口占世界人口的1 0 。与山地地貌紧密相关的滑坡灾害，其危害和影响程度仅次于地震，但因其出现的频度和广度远远大于地震事件，故而成为人类社会及生活环境中广泛遭遇、受害最重的自然灾害之一。我国幅员辽阔、人口众多，自然地理条件与地质环境极复杂，7 0 的地域为山区，所以滑坡发生密度大、概率高。我国成为世界上受滑坡危害最严重的国家之- - ! “。滑坡的发生给人类造成了经济的、政治的、社会的乃至生命财产的巨大损失。在我国现代化建设高速发展的今天，随着各类高层建筑、水利水电工程、冶金矿山、高速公路等大量工程项目的建设，不可避免地面临大量的边坡工程问题，边坡的失稳将会直接影响工程施工的顺利进行和工程建筑物的正常使用，甚至危及人民生命财产的安全。如：2 0 0 2 年，我国云南省新平县8 1 4 特大滑坡泥石流灾害造成3 3 人死亡，3 0 人失踪，重伤1 3 人，轻伤2 0 人，直接经济损失达1 1 0 0 0 万元。2 0 0 1 年三蛱库区发生的重大滑坡事件就有6 起，其中最为严重的滑坡灾害是5 月1 日2 0 时发生在重庆市武隆县的山体滑坡，共造成7 4 人死亡，一幢9 层商住房被摧毁。7 月3 日发生在重庆丰都县的山体滑坡造成1 人死亡，7 人失踪的重大灾害事件。2 0 0 3 年7 月1 3 日，湖北省秭归县沙镇溪镇千将坪发生特大岩质滑坡，规模达2 4 0 0 1 0 4 m 3 ，滑坡堵塞青干河，造成2 4 人死亡( 失踪) ，1 2 0 0 人搬迁。我国每年由于滑坡地质灾害造成的损失高达2 0 0 亿元，铁路沿线平均每年因滑坡造成的经济损失近亿元，整修投资费6 6 0 0 万元，1 9 9 6 - - 2 0 0 0 年由滑坡灾害造成的死亡人数1 1 5 6 人。随着人类活动范围的不断延伸，将遇到越来越多的边坡工程问题，滑坡造成的灾害对人类的危害也在不断扩大。而边坡稳定性分析与评价是滑坡研究的核心，因此，如何安全、可靠、有效地分析与评价边坡的稳定性就显得非常必要。所以研究区域滑坡的稳定性并对其进行危险性评价不仅具有现实意义，而且具有重要的理论意义。基于g i s 的滑坡危险性评价模型研究赵甜1 2 国内外研究现状及存在问题1 2 1 滑坡危险性评价国内外研究现状二十世纪六十年代以前，滑坡灾害工作主要局限于灾害形成机理、分布规律及趋势预测研究，重点调查分析灾害的形成与活动过程，有关的灾害评价多处于宏观定性分析为主的阶段，使得滑坡灾害信息评价所达到的水平的高低难以得到检验。这种状况既阻碍了评价成果的应用，又妨害了滑坡灾害评价理论和方法的发展。七十年代后，随着滑坡灾害破坏损失的急剧增加，促使人类把减灾工作提高到前所未有的程度【2 】，滑坡灾害研究开始突破传统的研究模式，在继续深入研究灾害机理的同时，开始尝试进行滑坡灾害定量化评价工作 3 - 5 1 。如l u m b 分析了不同类型坡积物及下伏岩性与自然滑坡的相关性( 6 1 ；r u x t o n 统计了风化层与滑坡的关系，得出风化对滑坡影响的重要性1 7 1 ；f o u r i e 研究了降雨渗透与引起的浅层崩塌的关系网；c o u i s o n对热带地区的植被与斜坡稳定性关系进行了研究，得出植被根系的生长，将使植被透水性增加，降低土壤强度嘲；e v a n s 对高程和降雨量的关系进行了研究，得出降雨量与高程有一定的关系【1 0 1 ；m a r ki l k 利用g i s 数据库中的1 5 0 0 个滑坡研究了浅层滑坡频度与地形的关系，结果显示陡峭地形与滑坡具有很好的统计相关性【l l 】；b r a b b以坡度为权重，计算了2 0 0 0 多个滑坡与1 2 个因子的百分比，最后确立了地质、土壤和坡度是影响滑坡稳定性的主要原因【埘。这些成果为定量分析区域滑坡与环境因子的关系以及区域滑坡预测模型的建立提供了良好的研究基础。随着一些不确定数学方法的发展，一些量化( 或半定量化) 评价方法被引用到边坡稳定性工程地质评价中，如模糊数学方法、灰色理论方法等。如1 9 9 5 年意大利g u i d a 采用多元回归分析建立了p o t e n z a 地区的滑坡分区图，解决该地区的斜坡土地资源利用问题；美国的r a l o h n e s 通过统计建立了美国i o w a 地区的线性指数模型【1 3 】；二十一世纪初期意大利的p h 0 0 na n dk u l h a w ya n dc c h e r u b i h i 1 4 钯模糊数学的模糊综合评判方法应用到意大利的斜坡稳定性评价上，为指导国家的土地利用取得了较好的效果。但由于边坡稳定性工程地质评价涉及到多种( 定量、半定量和定性) 变量，且这些变量与评价结论往往呈高度非线性关系，因此，这些方法很难摆脱过多的人为因2中山大学硕士学位论文素影响，如对边坡稳定性影响因素指标的选取、量化、影响因素权重的确定等，这些人为因素对评价结果影响程度如何，目前尚无法估计。因此，我们建立的边坡稳定性评价模型应能融定量与定性指标于一体，并能把人为因素的影响减少到最低程度；在国内，已有不少学者针对这些问题提出了不少边坡稳定性预测评价方法，如信息量法、综合判别分析法、模糊综合评判法、专家评分法、多元回归分析、层次分析法以及神经网络等。近年以来，计算机技术、信息技术、数学模型分析方法以及专题图编制理论技术，取得了飞速的发展和普遍的进步，为区域地质灾害评价和环境评价的技术进步提供了全方位的支持。g l s 技术在边坡工程领域的应用开始于二十世纪七十年代后期，由于当时g i s 的智能化水平不高，许多问题的分析模型和知识库还没有( 或难于)建立起来，这一时期的应用主要表现在g i s 的制图功能上，如【1 5 l c j v a nw e s t e n 和j b a i z a t eb o n i l l a 将g i s 用于山地灾害分析，通过对岩石图、土性图、边坡坡度图、植被图和剥蚀分布图这5 种圉件的综合编制灾害敏感图。随着科技的飞速发展，g i s 功能的不断完善，目前g i s 在边坡工程领域中的应用已经远远超出单纯制图功能，其应用主要表现在以下三个方面【1 6 】：历史滑坡信息管理；滑坡与动、静态环境因素的相关分析；滑坡灾害空间预测系统：即将g i s 技术和专业的滑坡预测模型相结合，充分发挥g i s 系统的数据海量存储、方便管理、直观显示和强大的空间分析功能等优势，弥补专业预测模型在预测过程中缺乏可视性和系统性的缺点。在现阶段的边坡地质灾害研究中常与g i s 结合应用的模型主要有信息量模型、统计模型、模糊逻辑模型、神经网络模型等f j 7 - 2 3 | 。九十年代初，g u p t a 等将地理信息系统技术应用在喜马拉雅山麓r u m g a n a 流域滑坡灾害危险性评价中，选择了滑坡发育的控制因素，给出了一个滑坡危险性评价因子。将滑坡灾害风险分为低、中、高三个等级。通过地理信息系统的叠加分类模型功能，将各因子依权重进行叠加，勾绘了滑坡危险性分区图，从而奠定基于地理信息系统技术的滑坡灾害危险性定量评价的基础i z 4 。a u r o m e i h ya n d乩r m a h d a v i f a r ( 2 0 0 0 ) 用滑坡灾害分区图评价滑坡灾害的潜在风险，考虑了各种致灾因子，用模糊集理论计算各单元的潜在危害性指标值，以此来绘制滑坡灾害分区图l 。此后，国内外众多学者，利用g i s 对滑坡地质灾害作了大量的工作，国内外基基予g i s 懿潘玻莛殓摊详侨攘型研究赵藤于g 1 s 技术的边坡嫩质灾害预测评价的研究有很多，如2 0 0 0 年s a ml e e 和k y u n g d u c km i n 等入翅g i s 豹窆麓数据管瀵功能和空阙分辑戆力结会遥感数据分撰了韩国y o n g i n 地区滑坡敏感性网。j o h n 托d y m o n da n dm u r r a y 融黼n ( 1 9 9 9 ) 用g i s 研究了在黎雨下滑坡灾辫发生的概率1 2 7 。r o w b o t h a m 等【2 8 墚用统计分析和回归分析相结会夔方法，建立了嚣域裁缓稳定憔豹g i s 摸型；d e y o u n g 等溯充分应溺g t s 窭色懿空间分析功能，采用栅格叠加逐步判别分析的数字高程模型，分析了各因素对岩体边坡稳定性的影响，进而分析了边坡的失稳概帮；唐川等跚帔用n e w n = l a r k 于1 9 6 5每提滋戆羚态貉逮安全系数模登，结会g i s 豹黛瓣分辑功麓瓣云嘉区域斜坡稳定瞧进行了评价；单新建等1 3 0 枝用定爨因子分析模溅建立g i s 计辣模块对香港火屿山岛中部_ i l 行了区域滑坡危险性预测；朱良峰等嗍利用g i s 系统中a p l ( a p p l i c a t i o np r o g r m a m a i n gi n t e f f u a ) 函数戆瑟发模式嚣发了经惑量模垄，建立了基予g i s 毅零戆区域地质灾害信息分析系统，进而对区域斜坡地质灾害进行了分析；周翠焚等p 3 睚g i s 系统下，以边坡失稳的确定性系数c f ) 计辣和滑坡因子敏感性分析，确定了各因子参鼹痉手瀑壤发生黪最不零l 数蓬区阁，在霹蘧城毪潺坡发生概率努餐巾，褥密了三蛱库区奉节段滑坡发生的敏感条件为坡度和边坡所处位激高程的结论。总体来说，目自h 对于滑坡危殿性评价的研究己经有了一魑阶段性的成果，其发震趋势蹩：获历变麓瑗获分爨趋内鞭深与磅窕鞠结合；麸今後分橱趋囱令魏专区域研究相结合；从定性分析趋向定擞化评价；从单要素分析趋向综合要素评价；从传统的调查统计和手誓制图走向以国s 技术为核心的模型化评价与计算机制阁，并囱网络技零纯发震。1 2 2 存在问题( 1 ) 边坡本身魑个复杂的系统，其演变过程是动态的，复杂的，具有不确定性并腻影响因素也较多，对滑坡危险性的定量评价有一定难度。在进行滑坡危险性评徐辩，嚣藩主要采莠l 定蛙魏或定鲞豹方法逶露耩究，露溪坡豹影穗强素较多，应该加强定性和定量相结合的方法的研究。( 2 ) 目前危险性评价采用的数学模型比较多，但是评价方法较单一，如何将现 弋薅慧技本专边缓稳定 生浮爨方法缝合开漫分掇浮徐工终有终嚣疑箨索瞧磅究。4中m 走学硕士学位论文1 3 论文研究思路和内容本文钟对滑坡危陵僬评价问题，首先利用g i s 的栅格数据的空间叠加功能和分析功能，对滑坡进彳亍定憔的评价；在此基础上，建立b p 人工神缀网络模型秘模糊综合译；醒模壅，逶过潜坡危险毪译徐揍标俸系熬簿寂秘惫陵毪等缀懿麓分，瓣活缓危险性进行定量的评价；并用模糊综含评判模型来检验b p 神缀网络模型。具体内容包括：第一章：阐述丁滑坡危险饿评价的研究意义、国内外滑坡危险性评价的研究瑗狡秘存在勰题，簌藏基疆土，撼滋了本文豹辑究恿路籀内容；第二章：搿器奔绍了滑坡危险性评价的理论基础和技术方法，并对人工神经网络的基本理论进行了介绍；第三章：介绍- fg i s 的基本理论和空间分析功簸，生成了t i n 和d e m 数字高程模黧，并得到了巅程霭、缓度鹜、缓囱霭等游被影响毽素懿专题蓬律，剃用撩格数据的窑间叠加功能和分析功能，对各专题图进行空间叠加分析，得出滑坡危险性分布图，对滑坡进符定性的评价；籀鲤章：建蠢了b p 享孛经瞬络摸型和模糊综合评判模黧，对涛坡危羧往进行定量鹣译徐，并对影躺因素豹量纯襁投重豹确定进行了研究；第五章：滑坡筑险性评价指标体系的建立和滑坡危险性等级划分，并结合实例，对所建立的评价横型进行实麟运用，采用e 峙b u i l d e r 开发了相应的计冀程序，对滑坡危陵性进弦了定量i , 警- t c t ，经与实际边敬进行对院分橱，验证了该搂鍪 和方法的合理可靠性；第六章：结论与展望。5中出太学硕士学位论文洲第2 章滑坡危险性评价的理论基础滑坡灾害危险性评价( l a n d s l i d eh a z a r da s s e s s m e n to re v a l u a t i o n ) ：是度量滑坡灾害髂豹滚动程度、活动特廷、遗理分凑及英对影确嚣戆藏耱程发，宅是浮徐瀑壤灾害破坏损失程度的基础。它考虑外在翁于诱发滑坡地质灾害发生的各种因素及备因素间可能的相互组合对滑坡发生的影晌，并跟踪斜坡现今所处变形破坏阶段，照进一多亥嚣雾爨预溅漠缓羹鏊溪灾害发生豹獗缝毪大套。潍缓灾害惫除梭谨癸是溪缓灾害风险管理的基础性工作，是制定各项防灾减灾措施的重要依据。网此，滑坡灾静危险性评价对于减轻滑坡灾害的损失具有重要意义，融引起人们高度重视。2 1 滑坡灾害评价的基本理论2 1 1 潺坡灾害戆特点p 4 3 s 滑坡地质灾害与其他自然灾害如洪水、地震、干旱等都具有一些相同的特点，毙妇都其蠢蠡然属性秽链会羼性，都燕一令复杂浆系统，但是耱滋浃承、缝襞簿灾害，滑坡灾害具有很多特殊性，明确这些特殊性，对滑坡灾害的评价和管理是有益的，这些特殊性主要表现在：( 1 ) 憋震琢境骜象翳复杂性与攀弼控性从地质灾害系统论的观点来看，地质环境背景怒滑坡地成灾密的孕灾环境。孕育滑坡等地质灾害的山区地质环境所缀受的内外动力作用的方式朔途径往往十分复杂，在空蠲上戆癸舅氇缀明显。嗣懿臻菠舔境乎簿一里遭受疆嚣，骖复豹鼹袭较之水环境、缴态环境等更加困难。对地质环境状况进行监测和普查较之水环境、艇态环境也要网难得多。因此单纯依靠从区域上采取宏观措施来调控滑坡地质灾密发生懿孕灾琴壤，嚣蘩是姣乏瑷实途径黪。( 2 ) 地质灾害的随机性和不规受f j 的周期性地质灾害活动是在多种条件作用下形成的。它既受地球动力活动控制，又受地壳穆理瞧瑗、缮梅鞫麓鏊竞表蠢形态等瓣素影穗；裁受自然条终撩秘，又受入类滚动影响。因此，地质灾害活动的时间、j 墩点、强度等具有很大的不确定性，可以说地7基子g i s 静播玻盏蹬鳇群价模型研究赵蔼质灾街活动是复杂的随机事件。冬餐热建，入弱逶过长麓戆黢察发瑷，撬矮灾害在翼畜熬税性豹霹露逐骞冀溺期性特点。这种特蚀既可以由一个其体的灾害体活动得到反l 蛱，也可以由嫩区或区域灾鬻活动得到反映。例如滑坡、泥石流灾害热有年到几西年的不同时间尺度的羯期投活动褒霉，戮忿形成波滚怒绫夔灾害辩鬻彦裂。( 3 ) 滑坡地质灾害发生过程短暂、突然不像洪水等灾密在发生之前商个相对较长时间的雨量集中、江水回涨过程，囊塌、漤缓、握葛滚等突发经灾害瓣蘩整薤建零罄明显，预测疆羧垂难。嚣薅蘑言，对单个崩塌、滑坡镩地质灾害点进行中长期预测的准确性不商，临滑预报也往往需要有长期的完备的般测资料为基础。滑坡地质灾害往往在数秒到数分钟这样很短的嚣翔凌宠璇萁麓羹戆释藏全逮程，及对巯鼗转移荔撰久器死乎凌为涛瑗：毽矮灾害正在发嫩时唯一有可能来得及做的磷情，这使得谯抗灾方面能有的作为非常肖限。( 4 ) 滑坡地质灾害受控因素复杂，防灾致灾藏体难界定获德震主 菪，不耱黪岩缝缝合、缝菝结稳缀会等逢震僖内部弱骞蕤嚣素砖乎蘧瑗灾害的孕育发生起着主导作用，饭是暴雨、地震和人类工程活动这些外部因素对崩塌、滑坡、泥石流这些突发性地质灾害所起的假发作用也不器忽视。尤其怒如果人类工稷谣动缺乏疱鸯豹理往，霞缎会最终成为簿致缝矮灾害发生兹壹接藤鬻。歪是由于控制这些突发饿地质灾害的阏豢复杂多样，根本原因与赢接原因、控制性因素与影响诱发因素的界定困难，便势必造成灾害资任界定困难，从丽直接导致防灾致灾主体混乱、责权本缓。2 1 2 滑坡的影响因素m 9 l影响滑坡活动的因素众多，但可以大体的分为两类：一裟是滑坡本身所其有的内部特征，称为内因，如地层岩饿、坡体结构，有效临空面罄都属于内部别牛；另一类，渗缓发寅过纛孛起决定终翅熬岁 部嚣索，称为强毽，翔承熬影翡、攘渡爨影响和人类的影响等，都是外部条件。发生滑坡的内部条件是滑坡发生的内阁和根据的体现，是滑坡发生的必要条件。他们对于每个滑坡的发生都是必不可少的。外雾霞繁楚发生潺羧豹终毽靛薅瑷，蹩发生溪瑷瓣态分条箨。溪缓豹发生莠誉箨要满足所有的外部条件，而只要其中菜项或几项外部条件激发内部条件发挥作用即可3中山大学硕士学位论文发生滑坡。因此选取指标时要充分考虑这两类条件【3 8 】。概况来说，滑坡的影响因素主要有以下几个方面：( 1 ) 坡高对于一个边坡单元来说，坡高应作为稳定性评价的重要指标，因为在其他条件相同的条件下，坡高越大，坡体的下滑力越大，对稳定性越不利。( 2 ) 坡度边坡的坡度一直被认为是影响边坡稳定性的重要因素，对滑坡的发生有很明显的控制作用，它从几何特征上决定了滑坡的分布，同时坡度直接决定了斜坡的应力分布，控制着坡体的稳定性。( 3 ) 岩性作为斜坡的物质组成，岩土体的性质对斜坡的稳定性必然有很大的控制作用。坚硬完整的块状或厚层状岩石，可以形成高达数百米的陡立边坡；而在淤泥或淤泥质软土地段，由于淤泥的塑流变形，几乎难以开挖渠道；松散地层边坡坡度较缓。这说明了岩性对边坡的稳定有直接的影响。( 4 ) 岩体结构因素岩体是由岩石构成的，根据岩体工程地质力学观点，岩体可分为四种结构类型：块状类型，层状结构类型，碎裂结构类型，散体结构类型。岩体结构类型对坡体的稳定性也具有很重要的控制作用。岩体结构类型不同，坡体变形发展乃至最终破坏的形式是截然不同的。( 5 ) 水的作用水对于边坡稳定的影响【螂羽大致可以分为降水、地表水和地下水三方面。降水，特别是暴f 酉是斜坡失稳的一个重要的诱发因素。降雨诱发崩滑地质灾害主要是通过地下水作用间接体现的。很多滑坡都是在暴雨之后发生的，并且大多具有较为明显的滞后效应。地表水对边坡的影响主要是冲刷作用，使得岸坡增高和变陡，导致边坡失稳。含水的边坡土石会显著地降低土石的力学强度。地下水还能溶解土石中的易溶物质，使土石成分发生变化，并使岩体结构受到破坏，发生崩解泥化现象，使抗剪强度降低，影响边坡稳定。( 6 ) 近期活动迹象滑坡的近期活动迹象在一定程度上反映了滑坡变形发展的阶段，这对于从宏观9基于g 1 s 的滑坡危险性评价模型研究赵甜上对滑坡在不久的将来的变形趋势以及发生破坏与否进行判断具有很大的参考价值。( 7 ) 人类工程活动随着人类文明的进步和发展，人类活动的范围在扩大，尤其是人类工程活动，对自然的改造和影响的强度和频度比以往任何时候都大，这些活动必然也会对周围一定范围内的边坡的稳定性产生影响，成为边坡失稳的最为活跃的诱发因素。( 8 ) 地震我们一般采用地震烈度来表示，即当地震发生时对地面构筑物的破坏的强烈程度。特别是在地震烈度区，也是诱发处于临界状态的斜坡失稳的一个重要因素。( 9 ) 植被植被类型和植被覆盖率对于边坡的稳定性具有一定的影响。概括起来，植被对斜坡稳定性的贡献除了大幅度减少坡面的破坏以外，其根茎还具有一定的根固作用，同时植被的存在，还有利于减缓坡面水流的流动速度，减少水土流失。2 1 3 滑坡危险性评价类型一般认为，针对不同目的或服务对象，可进行不同类型的地质灾害评价，根据滑坡灾害评价范围或面积，可将滑坡灾害危险性评价分为点评价、面评价、区域评价【蚰】。其基本特点具体见表2 - l 。表2 - l 滑坡危险性评价类型及其特征1 4 0 i评价类型点评价面评价区域评价灾害体或灾害群地区地质灾害区域地质灾害评价对象灾情与风险综合灾情与风险总体灾情与风险评价面积一般不超过几k m 2几十到几千k m 2几千到几百万k m 2评价范围一般不超过一个县一个县到几个县几个县到全国为抗灾、救灾和实施防治为部署防治工程和地区规为宏观减灾决策和制订规评价意义工程提供依据划提供依据划提供依据专门调查统计和必要的观评价手段专门调查统计区域调查统计测、试验评价精度比较精确、量化般、量化相对、量化0中山大学硕士学位论文评价范围的大小不同，考虑问题的尺度、可供使用的资料详细程度、适合采用的滑坡地质灾害危险性评价方法和手段等诸多方面都会有所不同。一般而言，评价范围越大、资料的详细程度越低、对滑坡地质灾害的成因机制的了解越少，滑坡地质灾害危险性评价所能得到的结果越宏观概略。2 1 4 滑坡危险性评价基本原则根据论文的研究范围，我们选择的是滑坡灾害的区域评价，在进行区域滑坡地质灾害的时候应该遵循以下的原则嘲：( 1 ) 综合性原则具体地，综合性原则主要体现在以下几个方面：综合考虑各要素滑坡是一个复杂的系统，其危险性程度是各要素物质、能量和外部形态及各要素相互共同作用的综合结果，评价应该尽可能全面综合各要素的作用。综合运用各种方法与模型由于考虑问题的出发点不同，可以采取多种方法和模型分别对区域滑坡地质灾害危险性做出评价，这些方法和模型各有优缺点并互为补充，因而需要采取适当的措施综合各种方法和模型得出的评价结果，最终得到一个更为准确客观的危险性评价结果。评价结果是概略的、综合的在区域上对滑坡地质灾害危险性进行研究所能达到的精度，很大程度上取决于对滑坡地质灾害的区域性规律的研究精度。滑坡地质灾害自身的复杂性、决策者对评价结果的简易性，这两者决定了综合评价的特点( 方鸿琪等，2 0 0 2 ) 。区域滑坡地质灾害危险性评价不可能准确计算出区域内每个斜坡的稳定性系数或破坏概率，而只能是一个概略的、综合性的危险性状况。( 2 ) 主导因素原则控制和影响滑坡孕育发生的各个要素对其危险性的贡献各不相同，因此各要素在评价中所起的作用也不同，在无法全面考虑所有因素及其相互关系的情况下，应抓住主导因素对危险性的控制作用，忽略次要因素的影响。对于区域滑坡地质灾害危险性评价这样一个高度复杂的问题，这种简化是非常必要的。基于g i s 的滑坡危险性评价模型研究赵甜( 3 ) 限制性原则或称敏感因子原则。由于某一个或者某些要素( 敏感因子) 对斜坡的稳定性程度起着至关重要的制约和限制作用，在进行区域滑坡危险性评价时，常常需要根据实际情况突出这些敏感因子的作用，即当这些敏感因子组合满足某种条件时，则无论其他因素条件状态如何，都倾向于判定该斜坡的稳定性差、滑坡危险性高。( 4 ) 定性与定量相结合的原则区域性滑坡地质灾害自身的特点决定了在对其进行危险性评价时需要定性与定量两种方法相结合，以定量分析的途径作为定性分析的数学表达、以定性分析的结果作为约束定量评价的框架，二者缺一不可。2 2 滑坡危险性评价的技术方法2 2 1 滑坡危险性评价的传统方法 3 4 , 4 1 】传统滑坡危险性评价是借鉴了地图制图中的套印技术，采用“叠置过滤制图法”进行评价的。其评价过程可以概括为：第一步，在对滑坡灾害详细研究的基础上，确定构成其危险的主要条件和因素( 即危险性因子) ；第二步，筛选危险性因子，并转化为图形表示，用透明纸或树脂薄膜绘制危险性因子图。筛选因子遵循原则：必须是重要的因子，而且含明确的分布信息，便于用图像表示；第三步，将绘制的因子图叠置，然后，圈画出重叠的部分，或计算各层的综合得分，区分危险性的大小。2 2 2 本文滑坡危险性评价的技术方法随着科学技术的发展，滑坡灾害危险性评价在运用过去技术方法的基础上，不断地完善发展，可以将滑坡灾害危险性评价方法分为定性评价和定量评价两类 4 2 4 5 。其中定性方法又可分为野外地貌分析法和参数地图法。定量方法又可分为统计分析方法、地理工程技术方法和数学模型方法。另外，近年来神经网络分析法也开始应中山大学硕士学位论文用到地质灾害危险性评价中，可以归到定量方法里。数学模型方法是通过分析总结评价区内典型单体滑坡地质灾害点的成因机制和孕育发生特征，从而设法找出控制和影响各类滑坡发生的各个因素与滑坡危险性之间的相互关系，然后以此作为判定准则，评价预测研究区内各评价单元滑坡的危险性。依据获得控制和影响滑坡发生的各个因素与滑坡危险性之间的相互关系的手段不同，还可以将该类方法进一步细分为专家系统方法、多元统计方法、模糊数学方法、信息量法和神经网络方法等等。运用这些模型和方法进行滑坡地质灾害危险性评价时，虽然大都对控制影响因素以及滑坡地质灾害危险性进行量化表达和处理，但是本质上仍然是定性与定量相结合的圈。随着信息技术的发展，g i s 技术也被引入到滑坡灾害的危险性评价中【4 5 1 。基于g i s 的滑坡危险性评价方法，实质上是针对输入的各评价因素层所作的某种函数叠加运算，充分利用了g i s 的空间叠加分析功能，将每个影响滑坡的因素用一张专题地图来表示，叠加运算的结果即是危险性评价的结果。本文主要采用g i s 技术和数学模型方法相结合的途径对滑坡进行危险性评价。首先通过g i s 技术对滑坡的危险性从空间上做出一个宏观的定性的分析和判断，然后利用神经网络模型和模糊综合评判模型再针对具体的滑坡的危险性进行进一步的定量的评价。2 3 人工神经网络基本理论2 3 1 人工神经网络简介人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 又称并行分布式处理( p a r a l l e ld i s t r i b u t e dp r o c e s s i n g ) ，最早出现于二十世纪四十年代，至八十年代后期，世界范围内掀起了神经网络研究开发的高潮。人工神经网络是反映人脑结构及功能的一种抽象数学模型，它由大量神经元节点互联而成的复杂网络，用以模拟人类进行知识的表示与存储以及利用知识进行推理的行为。人工神经网络的学习是一种归纳学习方式，它通过对大量实例的反复学习，由内部自适应过程不断修改各神经元之间互连的权值，最终使神经网络的权值分布收敛于一个稳定的范围。神经网络的互连结构及各连接权稳定分布表示了经过学习获得的知识。一个已建立好的人工神经网络可用于相关基于g i s 的滑坡危险性评价模型研究赵甜问题的求解，对于特定的输入模式，神经网络通过前向计算可得出一个输出模式，从而得到输入模式的一个特定解闱。由于人工神经网络的自适应性、非线性、学习功能及容错性强等特点，特别适合于处理各种复杂的、不确定的、非线性的问题，而边坡工程本身具有复杂性、非线性等特点，所以人工神经网络为我们解决此类问题提供了一条有效途径。人工神经网络的最基本单元是人工神经元，可以用一个多输入、单输出的非线性节点表示，如图 l 所示m 。五而：矗其输入输出关系可描述为：图2 - 1 神经元结构模型i t = p nj l x 厂8 t( 2 - 1 )y j = 厂( ，) ( 2 - 2 )其中，( ，= 1 , 2 ，刀) 是从其它细胞传来的输入信号，只为阀值，表示从细胞_ ，到细胞f 的连接权值，厂( ) 称为传递函数。传递函数f 可为线性函数，也可以是具有任意阶导数的非线性函数。常见的传递函数有如下几种：( 1 ) 阶跃函数坤) = 0 ：三：c 拍，( 2 ) s i g m o i d 型函数s i g m o i d 型函数是函数图形如s 形状的一类可微函数。最常用的函数形式有两种，分别为：g ) = 专( 1 4孛出走学硕士学位论文移双鼹正切函数：缗m l h ( x ) = 万e x _ e - x这类函数具有平滑和渐进性，并保持单调性。艇中双曲正切函数的特点是关于坐标原点对称。( 3 ) 态薪鍪丞数在径向基神经网络中，神经元的输入输出关系用高斯函数袭涿为；只= e x p l 一击融一) 2 )式中为标准倔参数。人工神经网络有三种基本层次结构：前馈型、反馈型和自组织竞争型，对应这三种层次结构，目前应用晟多的三种网络模型是：b p 网络、h o p f i e l d 网络和k o h o n e n网络。嚣藏应用最广泛、发震最成熬戆是b p 棒经网络。2 3 2b p 神经网络简介b p 神经鼹络是一静误差商磊传播( e i t o rb a c k 辍o p a g 菇i o n 静挣经弼络模型，其网络结构由三部分组成：输入层、隐禽层和输出层，其中隐含层可以为多层或一层，各层之间避过节点闻的建接权依次向s g 连接。嬲终巾每个节点郡怒单个神经元，露一层节纛阈无任谤藕会，每一层兹神经元只接受魏一器捧经元豹输入，每一罄季申经元的输出只影响下一层神经元的输出m 。一般三层神经网络模型可以实现对任何连续函数的映射，所以，在实际应用中，隐含层只设一层便已能满慰要求，其网终维构翔盈2 所示柳】。b p 网络的基本思想是【研，学习过程由信号的正向传播与误麓的反向传播两个过程组成。在正自传攒避程中，输入傣惑姨输入屡缀爨含层逐艨处理，然后传绘输出层。鲡架输出层不鼹得到预期输缝结果，鄹进稃驻海传播过稷，将误差信号潞原来的连接通路返回，通道修改各层神缀元的权值和阀值，以便使误差信号变小。这秘信号正向传播与误差发自费播的务鼷投值调整避程，是周两复贻地进行浆。权镳不断调熬的过程，也就麓网络的学习训练过程。北过程一直进行到网络输出的谖差1 5基于g i s 的滑坡危险性评价模型研究赵甜减少到可接受的程度，或进行到预先设定的学习次数为止。权修正而斗而而_ 呻期望输出输入层i 学岔层输出层图2 - 2 b p 网络模型结构b p 网络可看成是一从输入到输出的高度非线性映射，即f ：肜j r ”，f ( x ) = y ( 2 _ 仍对于样本集合：输入t ( r ”) ，我们可认为存在某一映射g 使：g ( ) = 咒i = l ，2 ，甩( 2 - 8 )求解问题时，只要求出一映射，使得在某种意义下，是g 的最佳逼近。神经网络通过对简单的非线性函数进行数次复合，可近似复杂的函数。1 6中山大学硕士学位论文第3 章滑坡危险性评价的g i s 辅助分析地理信息( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n ) 是指与所研究对象空间地理分布有关的信息，它表示地表物体和环境固有的数据、质量、分布特征、联系和规律。地理信息本身是一个信息概念，包括人们日常生产生活周围的一切环境、经济、人口等信息，它还是一个空间概念、时间概念。它与一般信息的区别在于它具有区域性、多维性和动态性。地理信息技术就是在地理信息的基础上发展起来的关于地理信息的管理、应用等技术，具体说来就是人们通常所说的地理信息系统( g i s ) 、遥感(